3.3. Интегральные таймеры и генераторы на их основе

Для формирования импульсов заданной длительности и скважности можно использовать специальные интегральные схемы- таймеры. Функциональная схема одного из популярных таймеров КР1006ВИ1 (зарубежные аналоги SЕ555, ΝЕ555) приведена на рис. 3.6

В эту схему входят два компаратора А₁ и А₂, RS-триггер Тг, резистивный делитель R₁-R₃, выходные транзисторные каскады. Напряжение питания таймера U_п⁺ может изменятся в пределах +5÷+15В. Делитель напряжения подает на нижний компаратор А₂ напряжение U_н=U_п⁺/3, а на верхний компаратор . Таким образом, если на клемме 2 таймера напряжение станет меньше чем U_н, то на триггер поступит сигнал установки в единицу. Если на вход таймера 6 будет подано напряжение больше, чем U_b, то компаратор А₁ выработает сигнал установки в ноль триггера Tг. Кроме этого для триггера Tг имеется дополнительный вывод установки в ноль (контакт 4). Если на вход 4 подать напряжение меньше 0,4В (логический ноль для цифровых микросхем), то независимо от состояния компараторов триггер устанавливается в состояние ноль (высокий потенциал на инверсном входе триггера Тг). Высоким потенциалом на инверсном выходе триггера открывается транзистор VT3, подавая на выход 7 таймера низкий потенциал, т.е. нулевой сигнал со входа 4 таймера имеет высший управляющий приоритет. Этот сигнал является для таймера сигналом разрешения Е: если Е=1, то работа таймера разрешена, если Е=0 триггер таймера находится в состоянии ноль. Вторым по старшинству является сигнал U₂, подаваемый на вывод 2. Этот сигнал является инверсным для установки триггера T в состояние "1", вне зависимости от сигнала со входа 6. Самый младший приоритет у непрерывного сигнала U₆, подаваемого на вход 6. Этот сигнал при Е=1, при U₂>U_н при условии U₆>U_в устанавливает триггер в состояние "ноль".

Е

Рис. 3.6. Схема таймера КР1006ВИ1

Выходной каскад триггера, построенный на транзисторах VT1 и VT2, обеспечивает ток до 100 МА, то есть такой ток может обеспечивать управление цепями средней мощности вплоть до релейных схем.

В таймере имеется вход, позволяющий управлять опорными напряжениями компараторов (контакт 5). Если он не используется, рекомендуется заземлять его через шунтирующий конденсатор С_Ш~10Н. Временные параметры импульсов формируемых генераторами собираемыми с помощью таймера, слабо зависят от изменения напряжения питания и температуры и определяются внешними по отношению к интегральному компаратору элементами

На рис.3.7, а изображена схема построения автоколебательного мультивибратора на таймере КР1006ВИ1

t

t

Рис. 3.7. Типовые схемы мультивибратора на таймере КР1006ВИ1

В этой схеме используется времязадающая цепь на резисторах R₁. и R₂ и конденсаторе С_в. Конденсатор С_ш шунтирует вход 5. Временные диаграммы работы таймера в режиме мультивибратора показаны на рис.2.7,б. После включения напряжения питания конденсатор С_в начнет заряжаться от источника U⁺_n через резисторы R₁ и R₂. Но сначала напряжение на нем невелико, напряжение на входе компаратора А₂ не превышает величины U_п/3. Триггер T установлен в состоянии ноль, транзистор VT1 открыт, напряжение U₃ равно единице, Для определения напряжения на емкости С_в воспользуемся формулой 2.25. Для интервала времени 0≤t≤t₀

где τ₁=(R₁+R₂) С_в , U_п - напряжение питания.

В момент времени, когда U_cв(t)=U_п/3, компаратор А2 снимает сигнал установки в нуль триггера Tг, но своего состояния он не меняет. В момент времени t₀, когда U_cв(t)=2U_п/3, срабатывает компаратор А1, устанавливая триггер T в состояние "ноль", транзистор VT1 закрывается, VT2 открывается, на выходе 3 устанавливается состояние ноль. Открывается также транзистор VT3. Транзистор VT3 подключает почти к "земле" 7-ой выход таймера, в результате чего через сопротивление R₂ и открытый переход VТ3 ёмкость С_в начнёт разряжаться. Учитывая совместно два уравнения

Для момента времени t₀ можно получить

Для интервала времени [t₀-t₁], когда конденсатор разряжается через R₂, без учёта падения напряжения на открытом транзисторе VT3, на основании (3.1) можно записать

(3.6)

где τ₂=R₂С_в - постоянная времени разряда.

Когда напряжение U_cв(t) падает до величины U_п/3 через компаратор А2, триггер вновь переключается в состояние единицы, VT2 и VT3 закроются, VT1 откроется, напряжение на третьем выходе переключается на высокий уровень (логическая единица). Конденсатор С_в, вновь начнет заряжаться до U_cв(t) = 2U_п/3 и т.д. Для момента времени t₁ справедливо равенство U_cв(t)=U_п/3 , откуда, учитывая (3.6) получаем

(3.7)

Для интервала [t₁-t₂] с учетом 3.1 можно записать

(3.8)

для времени t₂-U_cв(t)=2U_п/3, поэтому с учетом 3.8 можно записать

(3.9)

На основании (3.7) и (3.9) получаем

Для получения импульсов меандра нужно выполнить условие R₁=0, но тогда при открывании VT3 через него пойдёт большой ток и он сгорит, петому рекомендуют выбирать R₁≥1 кОМ.

Для получения меандра можно применять другие схемы, которые используют, например, методы разделения цепей заряда и разряда времязадающей емкости. На рис.3.7в показана схема с раздельным управлением зарядом/разрядом времязадающей емкости, с последовательно включенными переменными резисторами, обеспечивающими регулировку длительности и периода следования импульсов. В этой схеме С_в заряжается через R₁, R₂ и открытый диод VD1, а разряжается через открытый диод VD2 и резистор R₃.

Схема одновибратора на таймере представлена на рис.3.7г. Цепь запуска состоит из элементов R₃, С₃, и VD, времязадающая цепь R_в, С_в,. В ждущем режиме на выходе таймера формируется низкий потенциал (рис.3.7д). Исходно на входе S таймера (вход 2) резистором R₃ поддерживается напряжение U₂>U_п/3, триггер Tг в нуле, транзистор VT3 открыт, вывод 7 таймера имеет потенциал "земли", емкость С_в разряжена. Если на вход S подать, отрицательный запускающий импульс так, что в течении некоторого времени будет обеспечиваться выполнение соотношения U₂<U_п/3, то триггер таймера перейдет в единичное состояние, транзистор VT3 закроется и конденсатор С_в. начнет заряжаться от U_п через R_в. Когда конденсатор зарядится до величины 2U_п/3, триггер возвратится в нулевое состояние и таймер вновь окажется в исходном состоянии. Длительность импульса на выходе таймера может быть рассчитана как

t_и=R_вC_вln3=l,l R_вC_в.

Запуск одновибратора может осуществляться непосредственно подачей сигнала на вход S или перепадом 1/0 на входе дифференцирующей цепи. Вход 4 может использоваться для прерывания процесса формирования импульса.

На вход 5 может быть подано управляющее напряжение U_y от источника с малым выходным сопротивлением, например с выхода ОУ, таким образом можно управлять длительностью формируемого импульса в соответствии с формулой

Входной ток компаратора А1 составляет примерно 0,1 мкА, ток закрытого транзистора VТЗ=0,5мкА. Этими токами определяется наибольшее допустимое сопротивление резистора R_в. Рекомендуемые значения R_в - [1K-10M]. Наименьшая возможная длительность t_и определяется параметрами таймера и равна приблизительно 10мкС.

Рассмотренный тип таймера относится к разновидностям однотактных схем. В вариантах, когда требуется получить большую длительность импульса, измеряемую часами, применяют многотактные таймеры, вариант блок-схемы которого приведен на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Блок-схема многотактного таймера

В этой схеме импульс с параметрами, заданными цепью R₁, С₁ и формируемый однотактным таймером, попадает на счетчик, на выходе которого сформируется сигнал, «затянутый» на время, определяемое его коэффициентом пересчета.

В различных конструкциях многотактных таймеров интервал времени может задаваться программно по коду, устанавливаемому перемычками или со стороны ПЭВМ, а может жестко определяться внутренней структурой счетчика.

В качестве примера в таблице 3.1 приведены основные характеристики некоторых типов зарубежных таймеров [].

Таблица 3.1.

Основные параметры аналоговых таймеров.

Модель таймера	Напряжение питания, [В]	Ток потребления при VS=5В, [мА]	Входной ток, [нА]	Втекающий/вытекающий выходной ток, не более, [мА]	Максимальная частота импульсов, [МГц]	Коэффициент пересчета	Примечание
Однотактные таймеры
NE555	4.5…18	3	500	200	0.5	−	Аналог 1006ВИ1. имеются сдвоенный и счетверенный варианты
XR320	4.5…20	2	−	100/10	0.5	−	Открытый коллектор
ICM7555	2…18	0.12	0.05	10/4	1	−	КМОП-вариант NE555
Многотактные таймеры
ICL8240	4.5…18	4	−	5/1	0.5	1…255	Открытый коллектор
ICM7250	2…18	0.25	−	3.2/0.3	6	1…99	Программирование перемычками

Известны многофункциональные микросхемы, где таймеры включены в комплекс функциональных узлов, реализующие различные виды преобразования аналоговых и цифровых сигналов.